高迁移率GeSn/SiGeSn量子阱异质结构场效应晶体管的电学特性与静电调控研究

本文系统研究了GeSn/SiGeSn量子阱异质结构场效应晶体管（HFET）的电学传输特性，在2K温度下实现了高达19,000 cm2/Vs的创纪录空穴迁移率。研究发现SiGeSn势垒相较于传统Ge势垒可显著提升低载流子密度下的迁移率，这一反常现象通过原子探针断层扫描（APT）分析归因于界面质量的意外改善和短程有序（SRO）效应。该工作为第四族半导体在量子信息科学（QIS）平台的应用提供了重要实验依据。

　　

引言

硅基半导体技术经过数十年发展已广泛应用于电子器件和数字计算领域。硅锗（SiGe）合金通过应变工程和能带工程为量子阱（QW）异质结构带来了新的机遇。在此基础上，在第四族合金和异质结构中引入锡（Sn）元素，为硅基光子学、电子学、自旋电子学和量子信息科学（QIS）开辟了新前景。在QIS领域，实现量子计算与量子信息传输的一体化系统备受关注，而SiGeSn材料体系为此提供了理想平台。

为实现量子计算与传输的融合系统，自旋-光子耦合是实现自旋（计算载体）与光子（传输载体）之间量子转换的关键环节。虽然III-V族量子阱已实现单自旋-光子耦合，但其材料质量及与硅工艺的兼容性存在挑战。相比之下，SiGeSn材料兼具硅兼容性和直接带隙特性，特别是在Ge量子阱中利用强自旋轨道耦合的空穴量子点作为量子比特的研究已取得重要进展。近年来，GeSn量子阱因轻空穴量子计算潜力和直接带隙特性引起广泛关注，添加Sn元素还能调控自旋轨道耦合，且Sn核自旋可作为长相干时间的量子比特载体。

结果与讨论

材料分析

透射电子显微镜（TEM）分析显示样品中 misfit 位错被限制在Ge缓冲层与Si衬底之间，有效阻止了穿线位错向量子阱层传播。高角度环形暗场TEM图像显示各外延层之间具有清晰的成分过渡界面。原子探针断层扫描（APT）定量分析确认了Ge_0.9Sn_0.1量子阱被平均成分为1.7 at.% Si和5.6 at.% Sn的SiGeSn势垒包围，并在界面处观察到约2nm厚的非故意掺杂Ge_0.95Sn_0.05过渡层。短程有序分析显示SiGeSn势垒中Si-Si最近邻和次近邻参数均大于1，表明存在显著的原子有序性。

光致发光（PL）光谱研究表明，SiGeSn势垒与GeSn量子阱形成I型能带对齐，在1550nm泵浦激光下于2127nm处出现直接发射峰。由于284meV的势垒高度增强了载流子限制，其发光强度比同等厚度的GeSn体材料提高10%-30%。

静电学与输运特性

霍尔棒器件采用800μm沟道长度和40μm宽度结构，通过电容-电压（C-V）测量观察到三个明显的电容平台：C₁（74nF/cm²）对应Al₂O₃介质层，C₂（58.3nF/cm²）对应Ge帽层和上势垒层，C₃（14nF/cm²）对应量子阱和下势垒层。电流-电压（I-V）特性显示存在超过5V的阈值电压迟滞现象，归因于异质结构各界面的非平衡陷阱电荷。

磁输运测量在2K温度下进行，通过载流子密度和迁移率随栅压的变化曲线观察到明显的回滞效应。在平衡状态下（-7V至-10V），量子阱迁移率可达19,000 cm²/Vs，而Ge/SiGeSn帽层迁移率显著较低。通过双通道模型分析表明，在高栅压下帽层载流子密度超过量子阱，但其较低的迁移率导致器件整体迁移率下降。

GeSn量子阱对比研究

与Ge势垒的GeSn量子阱相比，SiGeSn势垒样品在低载流子密度下表现出显著更高的迁移率。对于Sn含量约6%的样品，SiGeSn势垒的峰值迁移率（19,000 cm²/Vs）是Ge势垒样品的四倍以上。这种迁移率提升可能源于两个机制：一是生长条件差异导致的杂质和缺陷浓度变化，二是势垒层的原子有序性通过外延模板效应传递至量子阱，减少合金散射。原子探针数据显示的短程有序现象支持后一种机制，有序合金通常比无序合金具有更高的迁移率。

结论

本研究实验证明用SiGeSn势垒替代传统Ge势垒可显著提高GeSn/Ge异质结构MOSFET的迁移率。高质量界面特性有助于降低半导体量子比特和单光子发射器的噪声源，为GeSn基量子器件的单片集成提供了重要技术路径。

实验方法

器件制备采用六步清洗工艺，通过原子层沉积（ALD）生长2nm Al₂O₃钝化层。欧姆接触通过铂锗化物工艺实现，经过250°C真空退火3小时形成约300nm深的Ge-Pt接触。栅介质层为90nm Al₂O₃，电极采用Ti/Au金属化系统。电学测试在2K低温环境下进行，霍尔测量采用13Hz锁相放大技术，电容测量使用1kHz交流激励信号。